Die 3D-Drucktechnologie erweitert die Möglichkeiten des Materialdesigns und der Herstellung von Kunststoff-Bauteilen. Allerdings mangelt es bisher an Polymeren, die die hohen Leistungsanforderungen erfüllen und gleichzeitig rezyklierbar sind. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellt ein Forschungsteam jetzt eine neue Polymerklasse, die sogenannten Polythioenone, vor, die mechanisch und chemisch rezyklierbar und für 3D-Druckverfahren geeignet sind. Sie zeigen zudem bessere mechanische Eigenschaften als herkömmliche Polyolefine. Erfolgsgeheimnis ist ein spezieller ringförmiges Baustein.
Anhand digitaler Modelle lassen sich per 3D-Druck komplexe Strukturen Schicht für Schicht präzise aufbauen. Die enorme Anpassungsfähigkeit und das schnelle Prototyping eröffnen in Bereichen wie der Biomedizintechnik, dem Automobilbau und dem Design von Konsumgütern neue Perspektiven.
Beim 3D-Druck im Schmelzschichtverfahren (Fused Filament Fabrication, FFF) wird ein faserförmiger thermoplastischer Kunststoff durch eine heiße Düse gepresst, wo er schmilzt, und schichtweise aufgetragen, bis das gewünschte dreidimensionale Bauteil entstanden ist – bei minimalem Materialverlust.
Wermutstropfen ist der Mangel an geeigneten Polymeren, die rezykliert werden können. Chemisch rezyklierbare Polymere, die sich nach Gebrauch wieder in ihre Bausteine (Monomere) spalten und erneut polymerisieren lassen, würden helfen, die Umweltprobleme durch langlebigen Plastikmüll zu verringern und fossile Rohstoffe einzusparen.
Die Synthese neuartiger thermoplastischer Polymere mit verbesserter Rezyklierbarkeit steht und fällt mit dem Design geeigneter Monomere. Das Team um Will R. Gutekunst und H. Jerry Qi vom Georgia Institute of Technology (Atlanta, USA) hat jetzt eine neuartige Monomer-Familie entwickelt: zyklische Thioenone (CTE), Ringe aus sieben Kohlenstoffatomen und einem Schwefelatom, die eine C=C-Doppelbindung und eine Carbonylgruppe (C=O) enthalten und einfach mit verschiedenen zusätzlichen Seitengruppen bestückt und so variiert werden können.
Unter Öffnung des Rings lassen sie sich polymerisieren, indem Monomer für Monomer über eine sogenannte Thia-Michael-Addition an die wachsende Polymerkette geknüpft wird. Diese Reaktion ist reversibel, sodass die erzeugten Polythioenone (PCTE) wieder depolymerisiert werden können.
Besonders interessant zeigte sich PCTE-Ph, ein Polymer, das aus der Monomer-Variante mit einem aromatischen Sechsring (Phenylring) als Seitengruppe synthetisiert wurde. PCTE-Ph ist ein thermisch stabiler Thermoplast mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, der mit Füllstoffen und Farbstoffen versehen und mit üblichen Verfahren verarbeitet werden kann.
Das neue Material ist vor allem besonders gut für den 3D-Druck geeignet. Gedruckte Bauteile lassen sich sich zum einen mechanisch recyceln, indem das Material einfach wieder aufgeschmolzen und erneut verarbeitet wird – unter Beibehalt seiner günstigen Eigenschaften wie Zugfestigkeit und thermischer Stabilität. Zum anderen kann es katalytisch mit einer Ausbeute von 90% wieder in die Ausgangsmonomere gespalten werden. Die wiedergewonnen Monomere stehen dann für weitere Polymerisationsrunden zur Verfügung.